曲 喆 方 日 李建良 李淑清 陶知非 馬 磊

(1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司)

基于KZ-28型可控震源的隔振模型理論研究

曲 喆1方 日1李建良1李淑清1陶知非2馬 磊2

(1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司)

根據(jù)KZ-28可控震源的固有頻率，設(shè)計(jì)了振動(dòng)特性與之相符的被動(dòng)-主動(dòng)隔振共同作用時(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行隔振分析，確定了該模型在被動(dòng)隔振與主動(dòng)隔振時(shí)的激振頻率范圍。最后推導(dǎo)出了主動(dòng)隔振控制力與下板激勵(lì)振動(dòng)和模型振動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系式。

可控震源 固有頻率 模型設(shè)計(jì) 隔振分析 混合隔振

KZ-28型可控震源由于隔振問(wèn)題，在激發(fā)過(guò)程中會(huì)受到近地表物性結(jié)構(gòu)、振動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓伺服控制及控制系統(tǒng)等多種非線性環(huán)節(jié)的影響，導(dǎo)致輸入到地面的信號(hào)發(fā)生畸變，影響勘探質(zhì)量，尤其在低于10Hz的低頻范圍時(shí)更為嚴(yán)重[1,2]。為避免振動(dòng)干擾，提高勘探質(zhì)量[3]，筆者以KZ-28型可控震源技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)分析和計(jì)算得出其固有頻率，并據(jù)此設(shè)計(jì)了與可控震源振動(dòng)特性相符的實(shí)驗(yàn)隔振模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行隔振技術(shù)研究，得出隔振規(guī)律和結(jié)論，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究指明方向。

1 KZ-28型可控震源固有頻率分析

KZ-28型可控震源車(chē)由車(chē)體、振動(dòng)器和安裝在兩者之間的隔振彈簧組成。工作時(shí)，激振裝置對(duì)振動(dòng)器進(jìn)行激振，整個(gè)車(chē)體作為靜載荷壓在振動(dòng)器上，有專(zhuān)門(mén)技術(shù)來(lái)保障車(chē)體和振動(dòng)器只能在垂直方向振動(dòng)。因此可以把整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1 單自由度振動(dòng)模型

KZ-28型可控震源車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

最大激振力 275kN

振動(dòng)器位移有效行程 ±38mm

最大振幅極限頻率 6Hz

最大靜載壓重 279kN

振動(dòng)器尺寸 1235mm×2130mm×165mm

整車(chē)質(zhì)量 31×103kg

(1)

由于車(chē)體質(zhì)量M等于振動(dòng)器上的最大靜載壓重，于是M=27.9×103kg，因此由車(chē)體和彈簧組成的單自由度系統(tǒng)固有頻率ωn(或fn)為：

(2)

阻尼比ζ為：

(3)

2 KZ-28型可控震源實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為了便于對(duì)KZ-28型可控震源進(jìn)行隔振研究，需設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型必須與KZ-28型可控震源具有相同的振動(dòng)物理特性，即相同的振動(dòng)自由度、固有頻率和相似的幾何尺寸。

2.1 模型結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)

由于可控震源是單自由度振動(dòng)模型，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2)主體由上下兩塊鋼板和中間的4個(gè)隔振彈簧構(gòu)成。依據(jù)KZ-28型可控震源振動(dòng)器尺寸，模型上下板的尺寸設(shè)計(jì)為325mm×185mm×5mm，上下鋼板的質(zhì)量mp=2.34kg。為了保證模型上板只在垂直方向振動(dòng)，在底板上固定了4個(gè)圓柱形立柱，同時(shí)在上板的相應(yīng)位置打4個(gè)圓孔，使4個(gè)立柱分別從4個(gè)孔(盡量光滑)中穿出，實(shí)現(xiàn)上板的小阻尼振動(dòng)。彈簧兩端分別固定在下板和上板上。為了便于在上下兩塊鋼板之間安裝作動(dòng)器，上下兩板之間的距離設(shè)計(jì)為200mm。

圖2 KZ-28型可控震源實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 模型固有頻率設(shè)計(jì)

2.3 彈簧尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23935-2009的要求，對(duì)彈簧基本參數(shù)進(jìn)行選定和計(jì)算。選定工作圈數(shù)n=36，高度H=220mm，中徑D2=22mm，材料剪切模量G=80GPa。則彈簧鋼絲的線徑d為：

(4)

根據(jù)彈簧尺寸，確定4個(gè)立柱的直徑為18mm，上板4個(gè)孔的直徑為19.5mm，4個(gè)孔的圓心到板近邊的距離為25mm。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透粽裾駝?dòng)分析

對(duì)KZ-28型可控震源實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行被動(dòng)隔振和主動(dòng)隔振的實(shí)驗(yàn)研究，探索KZ-28型可控震源隔振裝置的可行設(shè)計(jì)方案。

3.1 被動(dòng)隔振分析

模型被動(dòng)隔振及其受力分析示意圖如圖3所示。

圖3 模型被動(dòng)隔振及其受力分析示意圖

假設(shè)下板的振動(dòng)位移xs=Asinω1t，其中ω1是被動(dòng)隔振響應(yīng)的角頻率，在下板振動(dòng)的激勵(lì)下，上板的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(5)

解方程(5)，得到上板的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)xp(t)為：

xp(t)=B1sin(ω1t-ψ1)

(6)

位移傳遞率Td為：

(7)

隔振效率η為：

η=(1-Td)×100%

(8)

取λ=5，ζ=0.01，激振頻率5fn=12.85Hz，位移傳遞率Td=0.042，隔振效率η=95.8%，完全滿足KZ-28型可控震源對(duì)隔振的要求；取λ=2，ζ=0.01，2fn=5.14Hz，Td=0.33，η=66.7%，不滿足隔振要求。

通過(guò)以上分析，得到結(jié)論如下：

a. 當(dāng)頻率比λ>5或激振頻率f1>12.85Hz時(shí)，被動(dòng)隔振可以達(dá)到KZ-28型可控震源對(duì)隔振的要求；

b. 當(dāng)頻率比λ<5或激振頻率f1<12.85Hz時(shí)，被動(dòng)隔振無(wú)法達(dá)到隔振要求，此時(shí)應(yīng)采用以主動(dòng)隔振為主、被動(dòng)隔振為輔的混合隔振方法[6]。

3.2 主動(dòng)隔振分析

模型主動(dòng)隔振及其受力分析示意圖如圖4所示。

圖4 模型主動(dòng)隔振及其受力分析示意圖

作動(dòng)器通過(guò)在上板上施加一個(gè)振動(dòng)控制力來(lái)控制上板振動(dòng)，達(dá)到有效隔振的目的。假設(shè)作動(dòng)器作用到上板上的控制力f(t)=F0sin(ω2t+φ)，其中ω2是主動(dòng)隔振響應(yīng)的角頻率，則上板的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(9)

根據(jù)振動(dòng)疊加原理，將方程(9)分解為兩個(gè)方程：

(10)

(11)

方程(10)是在被動(dòng)隔振分析中已經(jīng)研究過(guò)的被動(dòng)隔振微分方程。方程(11)是主動(dòng)隔振微分方程，解方程(11)得：

xa(t)=B2sin(ω2t+φ-ψ2)

(12)

x(t)=xp(t)+xa(t)

=B1sin(ω1t-ψ1)+B2sin(ω2t+φ-ψ2)

(13)

x(t)是主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振共同起作用時(shí)的振動(dòng)情況。理論上，混合隔振的目標(biāo)是在下板激振源工作時(shí)，上板在作動(dòng)器激振力的作用下，振動(dòng)盡可能地小。最理想的情況是使x(t)=xp(t)+xa(t)=0，即B1sin(ω1t-ψ1)+B2sin(ω2t+φ-ψ2)=0,可見(jiàn)，只有B2=B1，且ω2=ω1時(shí)，該式才能成立，此時(shí)有sin(π+ω1t-ψ1)=sin(ω2t+φ-ψ2)，于是φ=π+ψ2-ψ1，代入f(t)=F0sin(ω2t+φ)得到：

(14)

要想達(dá)到理想的混合隔振效果，理論上，只要作動(dòng)器能精確施加控制力，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上板振動(dòng)的理想控制。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究將以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂扑惴ǎa(chǎn)生精確的主動(dòng)控制力，對(duì)混合隔振的有效性進(jìn)行測(cè)試，為KZ-28型可控震源的隔振裝置設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以KZ-28型可控震源車(chē)為基礎(chǔ)，通過(guò)分析其技術(shù)參數(shù)，得到了可控震源的固有頻率。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套與KZ-28型可控震源具有相同自由度、固有頻率、相似幾何尺寸的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并?duì)模型的被動(dòng)隔振和主動(dòng)隔振進(jìn)行了理論分析。通過(guò)分析，確認(rèn)了所設(shè)計(jì)模型與KZ-28型可控震源具有相同的振動(dòng)物理特性；確定了被動(dòng)隔振在激振頻率大于12.85Hz時(shí)起主要作用，而主動(dòng)隔振在激振頻率小于12.85Hz時(shí)起主要作用；推導(dǎo)出了混合隔振時(shí)作動(dòng)器振動(dòng)控制力與下板激勵(lì)振動(dòng)和模型振動(dòng)物理參數(shù)之間的關(guān)系式。為KZ-28型可控震源的隔振裝置設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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TheoreticalResearchontheVibrationIsolationModelBasedonKZ-28Vibroseis

QU Zhe1, FANG Ri1, LI Jian-liang1, LI Shu-qing1,TAO Zhi-fei2,MA Lei2
(1.CollegeofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology;2.GeophysicalProspectingINC.,ChinaNationalPetroleumCorporation)

Basing on intrinsic frequency of KZ-28 vibroseis, an experimental model for vibration characteristics and its corresponding action of passive and active vibration isolation was designed. Through vibration isolation analysis of the model, the scopes of exciting frequencies of this model at passive and active vibration isolations were determined. Finally, the relationship among the control force of active vibration isolation, the exciting vibration of the lower plate and the vibration parameters of the model was derived.

vibroseis, intrinsic frequency, model design, vibration isolation analysis, hybrid vibration isolation

TH865

A

1000-3932(2017)07-0648-04

2016-11-21，

2017-03-01)

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA061201)。

曲喆(1991-)，碩士研究生，從事現(xiàn)代傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)融合的研究，wjnjrs@163.com。